By browsing our site you agree to our use of cookies. You will only see this message once.

Find out more

Simon D. Strackee - Overview Of Mandibular Reconstruction


In Chapter 1 the aims of this thesis are outlined and a brief historical overview of mandibular reconstruction is presented. The objective of reconstructing a mandibular defect is the recovery of function and aesthetics. If this is to be achieved using a free vascularised osteocutaneous fibula graft, then partitioning the graft into segments is necessary. Optimal modelling and adequate fixation of the fibular bone segments is requered to restore the contour of the mandible.

Mandibular reconstruction using a solid block of tibia, tibial periosteal strips or pedicled mandibular grafts were the most commonly used methods in the early twentieth century. During World War Two, cancellous bone chip grafts in combination with metal or synthetic mesh trays were introduced. Up to the late 1970s the nonvascularized solid block ileum graft was the standard method for reconstructing mandible defects. In the 1980s several types of pedicled osteomuscular flaps were developed for mandibular reconstruction. In the same period microvascular free tissue transfer was introduced. Initially, the most frequently used donor bones for free vascularized flaps were the distal radius, the scapula and the iliac crest. In 1989 Hidalgo was the first to describe the use of the fibula in mandibular reconstruction. Within a very short time the fibula became the first choice for mandibular reconstruction, and anterior mandibular reconstruction in particular.

In order to recreate the parabolic form of the mandible, the fibula has to be partitioned into segments using a closed wedge osteotomy technique. The literature shows that restoration of the contour of the jaw is not a foregone conclusion and that secondary operations are often necessary to recreate an acceptable jaw contour. Over the years several articles concerning the best method of modeling the contour of the mandibular have been published. None of them have lead to a method, system or device that is universally applicable to recreate an adequate contour of the lower jaw.

To answer the question how to restore the mandibular contour as accurate as possible, while maintaining a good vascular supply of the fibular segments, we perfor med a study described in Chapter 2. Preferably, the number of osteotomies is kept to a minimum so that segmental periostial circulation is not compromised and operating time is minimalized. However, the limited number of osteotomies creates an angular contour. The aim of the study is to establish the degree to which over or under correction will occur when a reconstruction from ramus to ramus was simulated using five bone segments and four osteotomies.

The study was carried out using 30 preserved jaws; the contour lines of the jaws were transferred onto tracing paper. The contour of the mandible was partitioned into five sections (ramus, body, symphysis, body, and ramus).

Due to the cutting off of the curvature in the original jaw outline the lateral side of the body will become narrower and the chin broader. This also results in an underprojection (displacement) of the chin. In order to follow the original contour of the jaw, as accurately as possible, all these anomalies must be minimized. The amount of under and over projection is calculated for a displacement of 1.0, 1.5, 2.5, 5.0, 7.5 and 10 mm of the chin.

The most accurate reconstruction of the mandibular contour is achieved with a displacement of 1.5 or 2.5 mm. In order to preserve sufficient periostal circulation the minimum width of bone segments must be 15 mm or more. This concerns especially the symphysis section. Based on a fibula thickness of 14 mm the internal bone width of the symphysis section is calculated. With a displacement of 1.5 mm the average internal width of the bone segment is 14.8 with a range of 9.9 to 23.0 mm. Therefore a displacement of 2.5 mm with an internal bone width of 16.4 mm is preferred (range 11.9-24.8 mm). The loss of lateral projection is minimal (5.8 mm) and the resulting chin width is acceptable (average of 35.0 mm).

In conclusion we propose that in a subtotal procedure, an acceptable jaw reconstruction can be achieved with a limited number of osteotomies while the bone length of the symphysis section remains within safe limits. If the defect is of limited dimensions then the resulting jaw contour is even more accurate.

In order to reconstruct the complex three dimensional curve of the mandible it is necessary to carry out multiple osteotomies.  Several solutions to the problems concerning the site and angle of these osteotomies have been proposed, however in practice this is usually done by rule of thumb.

In chapter 2 we showed that it is possible to adequately reconstruct the contour of the jaw with a limited number of osteotomies. Using these data we have developed a modeling and an osteotomy jig system that is introduced in Chapter 3. The function of the modeling jig is to convert the curved contour of the mandible into the angular contour of the reconstruction.  The information concerning lengths and angles that is stored in the modeling jig is transferred to the osteotomy jig. The fibula (which is still attached to the leg by its pedicle) is fixed in the jig and then in a single stage procedure osteotomies are made and segments are fixed into their predetermined positions.  In this way optimal bone surface contact is achieved at the osteotomy sites. After the bone segments have been fixed the fibula is removed from the jig and the pedicle ligated.  The neomandible can then be attached to the remaining mandible.

Little is known about the results of reconstruction of the contour of the mandible after reconstructive surgery with a vascularized free flap fibula transplant.

The aim of the cadaver study descibed in Chapter 4 is to assess the quality of mandibular reconstructions carried out using the modeling and osteotomy jig system.

A standard anterior mandibular defect was created in eight cadaver heads. CT scans of the cadaver heads were carried out both before and after reconstruction. Using computer software the images obtained were matched to enable the comparison of the 3-D shape both before and after reconstruction. Images of the jaw both pre-and post reconstruction were superimposed on one another and then printed in three-quarter projection. Using axial 2-D slices of matched CT images, we compared the original, the reconstruction and a third image comprising a theoretically optimal contour reconstruction. The jaw was placed in a standard position and the plane of the axial slice was determined by the lateral projection of the mandible. The plane runs through the point of the chin at its most anterocaudal projection.

Good results were achieved in seven of the eight reconstructions. Compared to the theoretically optimal reconstruction, there was only a limited underprojection of the symphysis segment.

We concluded that 3-D images of the matched CT scans in combination with 2-D images of axial slices incorporating the original contour of the jaw, is the best method to assess the quality of jaw reconstructions.  Further efforts to quantify the differences between the original and post operative contour does not lead to a better understanding of the quality of the reconstruction. This visual method has shown that the modeling and osteotomy jig system is an effective method of jaw reconstruction which gives a good result.

After modeling, the fibular bone segments have to be fixed to one another and to the remaining mandibular stumps. This can be done by means of a reconstruction plate or miniplates. It is preferable to keep the amount of osteosynthesis material used in this procedure to a minimum thus minimizing the risk of compromising the periosteal blood circulation of the fibula segments from the pressure of osteosynthesis material on the periosteum. Titanium miniplates are currently the ‘gold standard’ and are compatible with the modeling and osteotomy jig system. However, it is known that in almost all cases of mandibular reconstruction an interosseous wire technique will also lead to consolidation of the fibula osteotomies. This gives the opportunity to explore other methods of fixation. Research into simplifying the method of fixation was carried out.

In Chapter 5 bonestaples made of a nickel titanium alloy are presented as an alternative to conventional fixation in mandibular reconstruction with a free vascularised fibula graft.

In order to evaluate its stability relative to conventional methods of fixation with interosseous wires or miniplates, an in vitro model using beech dowels was developed. Torsional stiffness and strength as well as compression stiffness and strength was examined.

The compression-test results showed that maximum strength of interosseous wires is significantly less than memory staples, which in turn are weaker than titanium miniplates. Of these 3 methods, miniplates are significantly the most rigid form of fixation.

The value of torsional strength of plates at 35° of rotation is approximately twice as high as the torsional strength of staples. The difference in the rigidity of staples and plates is marginal. Interosseous wires show a rapid decrease of strength and rigidity during torsional stress.

When considering interosseous wires the least and miniplates the most stable form of fixation by which bone healing can occur, memory staples can provide enough stability to assure consolidation.

In Chapter 6 a prototype of a variant of the interosseous wire technique is described.

The wire compression plate system is made up of thick monofilament steel wire and wire compression plates. The wire is passed through the intramedullary space via drill holes in the segments which are to be joined together. Fixation is achieved by advancing wire compression plates bilaterally over the wires, then tightening the wire, thus deforming the plates and clamping them to the wire. The wire compression plate system exercises less pressure on the periosteum than the interosseous wire technique and is easily applied when using the modeling and osteotomy jig system. Also this system of wire fixation should be able to withstand better bending and torsion stresses. The new compression plate system is compared with two commonly used techniques: interosseous wire fixation and titanium miniplates. An artificial fibula model was developed for these in vitro stress tests.

This newly developed alternative did not prove successful. The resistance against the forces of torsion and bending was equal or less compared to the conventional interosseous wire technique. Several improvement were proposed


In Hoofdstuk 1 worden de doelstellingen besproken en een kort historisch overzicht gegeven van mandibulareconstructies. Het doel van de reconstructie van een mandibula defect is het herstel van vorm en functie. Indien hiervoor een vrij-gevasculariseerd fibulatransplantaat wordt gebruikt, is het noodzakelijk deze te verdelen in segmenten. Voor het herstellen van de oorspronkelijke contour van de mandibula is het optimaal modelleren en adequaat fixeren van deze fibulasegmenten nodig.

In het begin van de twintigste eeuw maakten de meest gangbare methoden voor mandibulareconstructie gebruik van een tibiasegment, periostale strips van de tibia of een gesteelde mandibulalap. Gedurende de tweede wereld oorlog werden spongieuse bottransplantaten geintroduceerd al dan niet in combinatie met metalen of synthetische gazenbakjes. Het gebruik van het niet-gevasculariseerde ileumtransplantaat was tot in de jaren zeventig de standaard methode voor het herstel van mandibuladefecten. In de jaren tachtig werden diverse gesteelde bot-spierlappen voor kaakreconstructies ontwikkeld. In diezelfde periode werden de vrije-gevasculariseerde transplantaten geintroduceerd. Aanvankelijk waren de meest gebruikte donor locaties de distale radius, de scapula en het os ileum. In 1989 beschreef Hidalgo voor het eerst het gebruik van de fibula voor mandibulareconstructies. Deze fibulalap werd in korte tijd de lap van eerste keuze, met name voor de anterieure reconstructies.

Ten einde de parabolische vorm van de mandibula te reconstrueren moet de fibula in segmenten worden verdeeld met gebruikmaking van de gesloten wigosteotomie techniek. Uit de literatuur blijkt, dat het het verkrijgen van een goed contour herstel niet vanzelfsprekend is en dat veelvuldig secundaire ingrepen noodzakelijk zijn om een acceptabele contour te verkrijgen. In de loop van de jaren zijn diverse publicaties verschenen over wat de beste methode is om de contour van de onderkaak te modelleren.

Geen van deze publicaties hebben echter geleid tot een methode, systeem of instrument voor de reconstructie van de mandibula, dat universeel toepasbaar is.

Om de vraag te beantwoorden hoe een mandibula zo accuraat mogelijk te reconstrueren, met behoud van de bloedvoorziening van de fibulasegmenten hebben we de, in Hoofdstuk 2, beschreven studie uitgevoerd.

De voorkeur bestaat om het aantal osteotomieën beperkt te houden ten einde de segmentale periostalecirculatie niet te veel te verstoren en de operatieduur beperkt te houden. Door het kleine aantal osteotomieën zal er een hoekige contour ontstaan. Het doel van deze studie is om na te gaan waar en in welke mate over-, dan wel ondercorrectie zal ontstaan. Als uitgangssituatie wordt een subtotale reconstructie van ramus naar ramus genomen met maximaal 5 botsegmenten en 4 osteotomieën . De studie werd verricht op 30 gepreserveerde kaken.

De contour van de kaak werd overgenomen op kalkpapier en onderverdeeld in 5 lijnstukken (ramus-body-symphyse-body-ramus of R-B-S-B-R). Door het afsnijden van de bocht in de orginele kaakomtrek zal de laterale zijde versmallen en de kin verbreden. Dit gaat tevens gepaard met een verplaatsing (displacement) van de kin. Om een zo nauwkeurig mogelijk volgen van de orginele omtrek te verkrijgen moeten beide afwijkingen zo klein mogelijk gehouden worden. De mate van onderprojectie en overprojectie  worden berekend voor een verplaatsing van de kin van 1.0, 1.5, 2.5, 5.0, 7.5 en 10 mm. De meest nauwkeurige reconstructie van de kaakcontour wordt verkregen met een verplaatsing van 1.5 of 2.5 mm. Om de periostalecirculatie te behouden moet de minimale breedte van de botsegmenten 15 mm of meer bedragen. Dit geldt met name voor het symphyse deel. Uitgegaande van een fibula dikte van 14 mm wordt de binnenlengte van het symphyse deel berekend.  Bij een verplaatsing van 1.5 mm is de gemiddelde binnenlengte van het botsegment 14.8 mm met een spreiding van 9.9 tot 23.0 mm. Derhalve wordt de voorkeur gegeven aan de verplaatsing van 2.5 mm met een gemiddelde binnenlengte 16.4 mm en een spreiding van 11.9 tot 24.8 mm. Het verlies aan laterale projectie is minimaal (5.8) en de uiteindelijke kin breedte is acceptabel (gemiddeld 35.0 mm).

Concluderend willen wij stellen, dat met een beperkt aantal osteotomieën een acceptabel contour herstel kan worden verkregen in geval van een subtotale reconstructie (R-B-S-B-R). De botlengte van het symphysaire deel blijft binnen een veilige marge. Is het defect beperkter in omvang, dan is het resultaat van het contourherstel nog nauwkeuriger.

Ten einde de complexe 3-D curve van de mandibula te reconstrueren is het noodzakelijk  meerdere osteotomieën te verrichten. Voor het bepalen van de plaats en de hoek waaronder deze osteotomieën worden verricht zijn diverse oplossingen bedacht, echter in de praktijk gebeurt het veelal met het “timmermansoog”.

In hoofdstuk 2 tonen wij aan, dat het mogelijk is een adequate contour te reconstrueren met een beperkt aantal osteotomieën.

Aan de hand van deze gegevens kon een pas-en zaagmalsysteem worden ontworpen dat beschreven wordt in Hoofdstuk 3.

De pasmal dient om de “vertaalslag” te maken van de gebogen contour van de mandibula naar de hoekige contour van de reconstructie. De in de pasmal opgeslagen informatie van hoeken en lengtes wordt overgezet in een zaagmal. De fibula (nog verbonden met het been door de vaatsteel) wordt in de zaagmal gefixeerd waarna de osteotomieën en de fixatie van de segmenten nu in één procedure op de ingestelde plaatsen worden gerealiseerd. Hiermee wordt een optimaal botvlakcontact ter plaatse van de osteotomieën verkregen. Na fixatie van de botsegmenten wordt de fibula uit de mal verwijderd en de vaatsteel doorgenomen. De neomandibula kan nu aan de resterende mandibuladelen gefixeerd worden.

Er is weinig bekend over de resultaten van contourherstel van de mandibula na reconstructie met vrij gevasculariseerde fibula transplantaten.

Het doel van de in Hoofdstuk 4 beschreven kadaverstudie, is het bepalen van de kwaliteit van de met het pas-en zaagmal systeem verrichte mandibula reconstructies.

Bij acht kadaverhoofden is hiervoor een standaard anterieur mandibuladefect gecreeërd.

Voor en na reconstructie zijn de kadaverhoofden met behulp van CT scans vastgelegd. De verkregen CT beelden van de kaken zijn softwarematig gematched om vergelijking van de 3-D vorm voor en na reconstructie mogelijk te maken. Hiervoor zijn de voor en na reconstructiebeelden van de kaken over elkaar heen geplaatst en in driekwart projectie afgedrukt.

Tevens worden op axiale, 2-D coupes van de gematchde CT beelden de oorspronkelijke, de gereconstrueerde en een theoretische “optimale” reconstructies vergeleken. Het vlak van de axiale coupe wordt bepaald op de laterale projectie van de mandibula nadat de kaak in een standaardpositie is geplaatst. Het vlak loopt door de kinpunt met de meest antero-caudale projectie.

Bij zeven van de acht reconstructies worden goede resultaten bereikt. Ten opzichte van de theoretisch optimale reconstructie is er slechts een beperkte onderprojectie van het symphyse segment.

Wij concluderen, dat 3-D afbeeldingen van de gematchde CT scans in combinatie met 2-D afbeeldingen van axiale coupes met daarin de oorspronkelijke kaak-contour naar ons idee de meest zinvolle wijze is voor het beoordelen van kwaliteit van kaakreconstructies. Het quantificeren van de gevonden verschillen zal niet leiden tot een beter inzicht in de kwaliteit van de kaakreconstructies.

Met deze visuele methode blijkt, dat de reconstructies van de kaak met het pas- en zaagmal systeem een adequate methode is met een zeer acceptabel resultaat.

Na het modelleren, moeten de fibulasegmenten onderling en aan de resterende kaakstompen bevestigd worden. Dit kan door middel van een reconstructieplaat of miniplaatjes. Om het risico van compressie van de periostale circulatie zo veel mogelijk te verkleinen heeft het de voorkeur om de hoeveelheid osteosynthese materiaal zo beperkt mogelijk te houden. Titanium miniplaatjes zijn tegenwoordig de gouden standaard en zijn compatibel met het pas en zaagmal systeem. Echter, uit de literatuur is ook bekend, dat bij vrijwel alle mandibula reconstructies die verricht werden met cerclagedraden er een consolidatie optrad van de fibula osteotomieën. Dit biedt de mogelijkheid andere vormen van fixatie te evalueren.

In Hoofdstuk 5 worden nikkel-titanium botstaples geintroduceerd als een alternatief fixatiemateriaal bij mandibula reconstructies met een vrij-gevasculariseerd fibula transplantaat.

Om de bruikbaarheid van deze vorm van fixatie te beoordelen is deze vergeleken met twee andere gangbare technieken. In een in-vitro fibulamodel van beukenhout worden de relatieve sterkte en stijfheid bij compressie en torsiebelasting van deze memory staples vergeleken met die van staaldraadcerclages en titanium 2.0 osteosyntheseplaatjes.

Bij de compressie testen blijkt, dat de cerclages significant zwakker zijn dan de memory staples, die op hun beurt weer zwakker zijn dan de miniplaatjes. De stijfheid van de titanium plaatjes is duidelijk het grootst.

Bij de torsieproeven blijkt, dat bij 35°rotatie de torsie sterkte van titanium plaatjes twee maal zo groot is dan de memory staples. Het verschil in stijfheid tussen de plaatjes en de staples is marginaal. De cerclages vertoonde een snelle afname in sterkte en stijfheid bij torsiebelasting.

Als men er van uitgaat, dat de (titanium) miniplaatjes en de cerclages de uitersten voorstellen van fixatiemethodes waarbij een goede botgenezing verwacht mag worden, dan geven de memory staples voldoende stevigheid om een goede consolidatie te bewerkstelligen.

In Hoofdstuk 6 wordt een prototype van een variant op de cerclagetechniek beschreven.

Dit draadklem fixatie systeem bestaat uit een dikke monofilament staaldraad, die via een boorgaatje in de te verbinden botdelen via de intramedullaire ruimte wordt gevoerd. Fixatie vindt plaats door aan beide zijden een klemplaatje over de draad uiteinden op te schuiven en na het opspannen van de draad  te deformeren en zodoende vast te klemmen.

Het draadklem fixatie systeem geeft minder compressie op het periosteum dan de conventionele cerclagetechniek en is gemakkelijk toepasbaar bij het pas-zaagmalsysteem. De verwachting is tevens, dat dit draadfixatie systeem beter bestand is tegen buig- en torsiebelasting.

Om de bruikbaarheid van deze vorm van fixatie te beoordelen werd het draadklem fixatie systeem vergeleken met twee andere gangbare technieken: staaldraad cerclages en titanium plaatosteosynthese. Een kunststof fibulamodel wordt gebruikt voor de in-vitro belastingstesten.

Het alternatieve fixatie systeem bleek niet succesvol. De sterkte van de nieuwe draadklem verbinding is min of meer gelijk aan die van conventionele cerclages bij buigbelasting en aanzienlijk zwakker bij torsiebelasting.

Diverse verbeteringen worden voorgesteld.
Powered By: webCiters